一種立式長軸泵轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的分析

鄧孝龍，劉祥杰

（1.湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410151；2.湖南耐普泵業(yè)有限公司，湖南 長沙 410131）

一種立式長軸泵轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的分析

鄧孝龍1，劉祥杰2

（1.湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410151；2.湖南耐普泵業(yè)有限公司，湖南 長沙 410131）

立式長軸泵運(yùn)行中振動的產(chǎn)生受多種因素的影響，而轉(zhuǎn)子的剛度和臨界轉(zhuǎn)速是影響其穩(wěn)定性和產(chǎn)生振動的重要因素。通過對立式長軸泵轉(zhuǎn)子的剛度和臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算，并利用有限元軟件ANYSY對其建立三維有限元模型，進(jìn)行動力學(xué)模態(tài)分析，得出應(yīng)力分布情況及各階固有頻率，為保證立式長軸泵在運(yùn)行中的穩(wěn)定性和避免發(fā)生共振現(xiàn)象提供了重要理論依據(jù)。

立式長軸泵；臨界轉(zhuǎn)速；模態(tài)分析

隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，立式長軸泵被廣泛應(yīng)用于鋼鐵、電廠、石油化工、污水處理、市政等領(lǐng)域，這對立式長軸泵的使用性能和壽命提出了更高的要求，而轉(zhuǎn)子作為立式長軸泵的關(guān)鍵零部件，其剛度決定泵的穩(wěn)定性和使用壽命。為精確的計(jì)算分析轉(zhuǎn)子的受力情況，文章結(jié)合ANSYS軟件，建立有限元模型并加以動態(tài)仿真分析，以期進(jìn)一步明確轉(zhuǎn)子的失效機(jī)理，為提高其使用壽命提供理論基礎(chǔ)。

1 軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算

以我國建設(shè)中的某個(gè)LNG項(xiàng)目海水泵（立式長軸泵）轉(zhuǎn)子作為研究分析對象，設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

流量：Q=17000m3/h，揚(yáng)程：H=32m，額定轉(zhuǎn)速：n=495r/min，電機(jī)額定功率：2000kW

（1）計(jì)算軸所傳遞的扭矩：

式中：Mn為軸所傳遞的扭矩（N·m），［τ］為許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力（N/m2），軸材料為雙相鋼，［τ］取為55MPa。軸上設(shè)有鍵槽，軸徑需加大5%，所以最小軸徑需≥Ф160.4mm。

式中：P為配套電機(jī)額定功率（kW）；n為泵的轉(zhuǎn)速（r/min）

（2）按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算軸徑：

（3）軸的強(qiáng)度校核

抗扭截面系數(shù)：

最大切應(yīng)力：

2 軸扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算

圖1 軸扭轉(zhuǎn)變形示意圖

扭轉(zhuǎn)角計(jì)算公式如下：

G為切變模量，G=80GPa=80×109Pa；［Φ］為許用相對轉(zhuǎn)角，對于一般傳動，可?。郐担?0.5～1°/m；Iρ為截面極慣性矩cm4

所以最大扭轉(zhuǎn)角

轉(zhuǎn)子實(shí)際軸徑最小為170mm，最大為200mm，滿足扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和剛度要求。

3 轉(zhuǎn)子的模態(tài)分析

運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件，采用相關(guān)的動力學(xué)模態(tài)分析方法，對轉(zhuǎn)子進(jìn)行振動時(shí)的特性計(jì)算，從而得出有關(guān)它的有限元分析結(jié)果，即振動頻率及振型。模態(tài)分析時(shí)建模的幾何模型、所選單元類型、及施加約束和靜態(tài)時(shí)相同，經(jīng)過計(jì)算處理，得到了1至4階的固有頻率，其模態(tài)分析圖如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

圖2 一階固有頻率710rpm模態(tài)圖

圖3 二階固有頻率1140rpm模態(tài)圖

圖4 三階固有頻率2883pm模態(tài)圖

圖5 四階固有頻率2888rpm模態(tài)圖

4 結(jié)語

（1）在轉(zhuǎn)子的一階、二階振動過程中，其變形主要發(fā)生在葉輪前蓋板外緣，這主要是由于一階、二階轉(zhuǎn)速低，葉輪最大外緣處產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)不平衡量較大。

（2）三階、四階振動過程中，變形主要集中于中軸和上軸聯(lián)接段，這主要是由于三階、四階轉(zhuǎn)速高，此處軸承跨距最大，所以變形也最大。

［1］吳騰慶，劉恒，等.高速電主軸支承剛度計(jì)算及模態(tài)分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013，8（3）：41-45.

［2］楊康，韓濤.ANSYS在模態(tài)分析中的應(yīng)用［J］.佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，23（1）：81-83.

［3］于慎波，王瑋琦，等.基于有限元和實(shí)驗(yàn)的永磁同步電主軸模態(tài)分析［J］.重型機(jī)械，2016，23（9）：104-110.

Analysis of Critical Speed of Vertical Long-shaft Pump Rotor

DENG Xiao-long1，LIU Xiang-jie2
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Hunan University，Changsha，Hunan 410151，China；2.Hunan Naipu Pump Co.，Ltd.，Changsha，Hunan 410131，China）

Thevibrationoftheverticallong-axispumpisaffectedbymanyfactors，andthestiffnessand critical speed of the rotor are the important factors that affect its stability and vibration.Through the calculation of the stiffness and critical speed of the rotor of the vertical long axis pump，the finite element software ANYSY is used to establish the three-dimensional finite element model，and the dynamic mode analysis is carried out.The stress distribution and the natural frequency are obtained，which provides an important theoretical basis for stability of type long axis pump in the operation and avoidance of resonance.

verticallongaxispump；criticalspeed；modalanalysis

TH133

A

2095-980X（2017）02-0079-02

2017-01-05

鄧孝龍（1986-），男，湖南新邵人，碩士研究生，講師，主要研究方向：現(xiàn)代制造技術(shù)與高職教育。